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【PyTorch】Pytorch中torch.nn.Conv1d函数详解

news 来源：原创 2025/8/5 4:56:42

1. 函数定义

torch.nn.Conv1d 是 PyTorch 中用于一维卷积操作的类。定义如下：
官方文档：https://pytorch.ac.cn/docs/stable/generated/torch.nn.Conv1d.html#torch.nn.Conv1d

torch.nn.Conv1d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1,padding=0, dilation=1, groups=1, bias=True, padding_mode='zeros',device=None, dtype=None
)

2. 计算原理

对由多个输入平面组成的输入信号应用一维卷积。在最简单的情况下，输入大小为 $C_{\text{in}}, L )$ 且输出大小为 $C_{\text{out}}, L_{\text{out}})$ 的层的输出值可以精确地描述为：

$\text{out}(N_i, C_{\text{out}_j}) = \text{bias}(C_{\text{out}_j}) + \sum_{k=0}^{C_{\text{in}} - 1} \text{weight}(C_{\text{out}_j}, k) \star \text{input}(N_i, k)$

其中:
$C_{\text{out}_j}$ : 表示输出通道（output channel）的索引 $j$ ，它对应的是卷积操作中的第 $j$ 个通道输出。
$⋆$ : 表示卷积
$N$ ：表示批次大小
$C$ ：表示通道数量
$L$ ：表示信号序列的长度

总结：

卷积层的输出是通过对输入张量与卷积核进行卷积计算，得到每个输出通道上的特征图。每个输出通道 $C_{\text{out}_j}$ 对应一个卷积核，它与输入的每个通道进行卷积，并将这些结果加权求和后加上偏置，最终形成输出张量的每个值。

3. 参数说明

in_channels: 输入信号的通道数。

out_channels: 输出信号的通道数。

kernel_size: 卷积核的大小，可以是单个整数或整数元组。

stride: 步幅，控制卷积核在输入上移动的步长，默认为 1。

padding: 填充，控制应用于输入的填充量。它可以是字符串{‘valid’, ‘same’}，也可以是元组，表示在两侧应用的隐式填充量。

dilation: 空洞卷积的膨胀系数，默认为 1。

groups: 控制输入和输出之间的连接方式，默认为 1，意味着每个输入通道都与每个输出通道相连。in_channels 和 out_channels 都必须能被 groups 整除

bias: 是否使用偏置项，默认为 True。

padding_mode: 填充模式，支持zeros’、‘reflect’、‘replicate’ 或 ‘circular’。默认值：‘zeros’

在这里插入图片描述

4. 关于groups参数详解：

在卷积神经网络中，groups 参数控制输入通道和输出通道之间的连接方式。它在分组卷积（Grouped Convolution）中尤为重要。以下是具体的解释：

1. 当 groups=1 时：
说明： 所有输入通道与所有输出通道进行卷积。也就是说，每个输入通道都与每个输出通道对应的卷积核进行卷积操作。这是标准的卷积操作，其中每个输入通道与所有输出通道之间都有连接。
举例： 如果 in_channels=4 和 out_channels=6，并且 groups=1，则每个输入通道都会与卷积核中的每个输出通道进行卷积操作，最终得到一个包含 6 个输出通道的输出

2. 当 groups=2 时：
说明： 卷积操作被分成两个组，每个组独立地处理一部分输入通道并产生一部分输出通道。具体来说，每个组的输入通道数量是 in_channels / groups，输出通道数量是 out_channels / groups。
举例： 如果 in_channels=4 和 out_channels=6，并且 groups=2，那么就会有两个卷积层，每个卷积层分别处理两个输入通道并生成三个输出通道。这两个卷积操作的结果会被拼接起来，最终得到 6 个输出通道。

第一个卷积层：输入通道 1 和 2，输出通道 1, 2, 3
第二个卷积层：输入通道 3 和 4，输出通道 4, 5, 6
输出：包含 6 个通道的输出

3. 当 groups = in_channels 时：
说明： 每个输入通道与其对应的卷积核集进行卷积，也就是说，每个输入通道都有一个独立的卷积操作，只与其自身的卷积核进行卷积。此时每个输入通道只会生成一个输出通道。
举例： 如果 in_channels=4 和 out_channels=4，并且 groups=4，每个输入通道将与其自己的卷积核进行卷积操作，最终得到一个 4 通道的输出：
输入通道 1 使用自己的卷积核得到输出通道 1
输入通道 2 使用自己的卷积核得到输出通道 2
输入通道 3 使用自己的卷积核得到输出通道 3
输入通道 4 使用自己的卷积核得到输出通道 4

注意：
当 groups == in_channels 且 out_channels == K * in_channels（其中 K 是正整数）时，此操作也称为深度卷积。
padding='valid' 等同于不填充。 padding='same' 对输入进行填充，以便输出具有与输入相同的形状。但是，此模式不支持除 1 之外的任何步长值。

5. 使用示例

自定义一个只有Conv1d卷积层的网络：

import torch
from torch import nnclass Model(nn.Module):def __init__(self, in_channels, out_channels, kernal_size,*args, **kwargs):super().__init__(*args, **kwargs)self.conv1d = nn.Conv1d(in_channels, out_channels, kernal_size, padding=1)def forward(self, x):out = self.conv1d(x)return out

1. 函数定义

2. 计算原理

3. 参数说明

4. 关于groups参数详解：

5. 使用示例

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